基于DSP的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：利用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320F2808強(qiáng)大的運(yùn)算能力和快速實(shí)時(shí)處理能力，解決了矢量控制的復(fù)雜控制算法難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，完成了矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)特性，以及快速的故障處理功能。
關(guān)鍵詞：矢量控制；異步電機(jī)；TMS320F2808

引言
    矢量控制(vector control)是在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種高性能的控制技術(shù)，其提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。矢量控制具有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快等特點(diǎn)，但是其涉及眾多的異步電機(jī)參數(shù)，需要復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)變換計(jì)算。隨著電力電子器件及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種高性能芯片的問(wèn)世解決了高性能矢量控制方法繁瑣的運(yùn)算問(wèn)題，使矢量控制技術(shù)得到了更廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。
    本文根據(jù)矢量控制的基本原理，采用TI公司具有強(qiáng)大運(yùn)算能力和快速實(shí)時(shí)處理能力的數(shù)字處理芯片TMS320F2808作為控制芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)全數(shù)字化矢量控制硬件系統(tǒng)，并給出了保護(hù)電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路，以及部分程序流程。

1 矢量控制基本原理
    矢量控制的基本理論是在三相交流電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，應(yīng)用坐標(biāo)變換Clarke變換把三相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為兩相交流系統(tǒng)，然后通過(guò)Park變換把兩相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的直流系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁分量和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量，并使兩分量互相垂直，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解耦，達(dá)到對(duì)異步電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的，從而獲得與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)良的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)調(diào)速性能。其基本原理如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 主回路
    本系統(tǒng)采用主回路為電壓型的“交-直-交”變頻結(jié)構(gòu)，主要由整流電路、濾波電路以及逆變電路組成。為了使主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且便于器件的更換和維修，本設(shè)計(jì)采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖2為基于TMS320F2808的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

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    本設(shè)計(jì)中采用了三菱公司的整流逆變制動(dòng)模塊CP10TD1-24A。其特點(diǎn)是：采用LPT—CSTBTTM硅片技術(shù)和整流、逆變、制動(dòng)、NTC溫度檢測(cè)一體化壓注模小型封裝，飽和壓降低，模塊熱阻小，內(nèi)置NTC溫度傳感器等。
2．2 控制回路
    由于矢量控制系統(tǒng)的計(jì)算量較大，所以控制回路采用TI公司的DSP芯片TMS320F2808及其外圍電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制核心算法、相關(guān)電壓電流的檢測(cè)處理等功能。

2．2．1 供電電路
    圖3為供電電路。為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)器件的使用壽命，本設(shè)計(jì)采用高性能穩(wěn)壓芯片、低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117，為T(mén)MS 320F2808提供可靠的供電電源。分別選用3．3 V和1．8 V的固定電壓輸出芯片為DSP供電，其輸出電流可達(dá)800 mA，輸出電壓的精度在±1％以?xún)?nèi)，并具有電流限制和熱保護(hù)功能。

2．2．2 JTAG仿真調(diào)試接口電路
    為了便于調(diào)速系統(tǒng)與上位機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)仿真器對(duì)DSP的訪(fǎng)問(wèn)并進(jìn)行矢量控制調(diào)速程序的仿真與調(diào)試，JTAG仿真調(diào)試接口電路是變頻調(diào)速設(shè)計(jì)中必不可少的。具體電路圖如圖4所示。

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2．2．3 過(guò)、欠壓保護(hù)電路
    為了提高系統(tǒng)的可靠性，更好地保護(hù)逆變器元件和異步電機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置一套準(zhǔn)確的保護(hù)措施以防止各種故障的發(fā)生。本文采用直流母線(xiàn)電壓的過(guò)、欠壓保護(hù)電路，如圖5所示。當(dāng)檢測(cè)出的直流母線(xiàn)電壓超過(guò)或低于預(yù)定電壓時(shí)就會(huì)關(guān)斷所有控制信號(hào)，從而起到保護(hù)的作用。其中，LM393為雙電壓比較器。

2．3 系統(tǒng)檢測(cè)電路
    檢測(cè)電路是調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分。其作用是將檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換后變成DSP可識(shí)別信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)一定的算法輸出各部分電路所需信號(hào)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能并為系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。因此，檢測(cè)到的信號(hào)是否合理準(zhǔn)確，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和控制精度的好壞。根據(jù)矢量控制系統(tǒng)需要，本文進(jìn)行了定子電流檢測(cè)和電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)。
2．3．1 定子電流檢測(cè)電路
    在矢量控制系統(tǒng)中，定子電流的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性是影響調(diào)速系統(tǒng)控制精度的一個(gè)重要因素。本文采用具有精度高、線(xiàn)性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路的霍爾電流傳感器TBC-05SY進(jìn)行了定子電流檢測(cè)。圖6為定子電流檢測(cè)電路。其中，LMC6464為低功耗、軌到軌輸入和輸出CMOS運(yùn)算放大器。

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2．3．2 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路
    電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的精度也是影響調(diào)速系統(tǒng)控制精度和穩(wěn)定性的重要因素。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，改善低速平穩(wěn)性，要求測(cè)速元件低速輸出穩(wěn)定、波紋小、線(xiàn)性度好。通常的測(cè)速元件不僅會(huì)影響應(yīng)用電路，而且還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。本文采用了HEDSS公司具有低慣量、低噪聲、高分辨率的增量式光電編碼器HKT5617—301G1024BZ3／5E，進(jìn)行電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速檢測(cè)。該編碼器與TMS320F2808的接口電路如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主要由主程序和中斷程序兩部分組成：主程序主要完成硬件和各種變量的初始化，并為各個(gè)寄存器設(shè)置初值；中斷程序包括PWM中斷程序、各種故障保護(hù)中斷程序等。相應(yīng)流程如圖8所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本設(shè)計(jì)中進(jìn)行了帶負(fù)載的實(shí)驗(yàn)，在給定轉(zhuǎn)速為1400r／min的條件下添加不同的負(fù)載，測(cè)出電機(jī)實(shí)際運(yùn)行下的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速給定值為1400 r／min時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。其中，TN為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩。
    由表1可知，本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果在預(yù)估計(jì)的允許誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。這表明本設(shè)計(jì)是可行的。

結(jié)語(yǔ)
    本文采用模塊化的思想，設(shè)計(jì)了基于TMS320F2808的矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)，以及很好的故障保護(hù)電路。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。